摘要：渦街流量計因其儀表系數(shù)與流體特性無關(guān)、精度高、寬量程比和低壓損等優(yōu)點，在化工領(lǐng)域的應用越來越廣。以熱解分級煉制新工藝對煤及液化殘渣進行煉制利用中的產(chǎn)品之一熱解氣為例，介紹渦街流量計的選型設(shè)計。

我國低階煤資源儲藏豐富，占可采儲量40%以上。然而它的高效利用一直是業(yè)內(nèi)努力攻克的難題。低階煤含水量高，熱值低，機械強度低，化學穩(wěn)定性差。為此，北京低碳清潔能源研究所承擔**高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目課題“煤分級煉制清潔燃料關(guān)鍵技術(shù)研究”，采用熱解分級煉制新工藝對煤及液化殘渣進行煉制利用，在溫和的條件下對原料進行加工處理，分步驟地將其中有用的成分充分提取出來，得到的產(chǎn)品之一為熱解氣，去除焦油后的熱解氣組成見表1，本工程中采用渦街流量計對其進行測量。

1、渦街流量計概述

渦街流量計是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型流量儀表，80年代制定了渦街流量計專業(yè)標準(ZBN12008－1989)和檢測規(guī)程(JJG620－1989)。渦街流量計目前已發(fā)展成為主流流量儀表之一，因其有諸多優(yōu)點，吸引了國內(nèi)外眾多研究者和企業(yè)的關(guān)注。研究者從多方面對其進行深入的研究：①旋渦發(fā)生體的研究；②壓電傳感器探頭位置的研究；③數(shù)字信號處理方法的研究；④渦街信號檢測方法的研究；⑤數(shù)值仿真方法的研究。

在眾多流量計中，渦街流量計的安裝、運行、維護費低于節(jié)流式、容積式等，購置費低于容積式、質(zhì)量式等，是一種實用性和經(jīng)濟性都較好的流量計，受到用戶廣泛歡迎。該流量計優(yōu)點如下：

(1)在一定雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)(2×104～2×106)，輸出頻率信號不受流體物性(密度、粘度)和組分變化影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體的形狀尺寸及管道的形狀尺寸有關(guān)，可以在一種典型介質(zhì)中校驗而適用于各種介質(zhì)。

(2)精確度較高(與差壓式、浮子式流量計比較)。

(3)量程比可達10∶1或20∶1，目前已有廠家在研制適用于氣體測量能達到80∶1的渦街流量計。

(4)壓損小(約為孔板流量計的25%～50%)，大幅度降低能耗。

(5)結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝維護方便。

(6)使用范圍廣，可測量液體、氣體、蒸汽和部分混相流體。

2、渦街流量計的參數(shù)計算

2.1工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的體積流量換算

渦街流量計的輸出信號是與工作狀態(tài)的體積流量成正比例，氣體的體積流量受溫度、壓力影響較大，在流量計選型時，若提供的流量是標準狀態(tài)下的體積流量或質(zhì)量流量，應把它換算成工作狀態(tài)下的體積流量。

式中，qV、qn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的體積流量，m3/h；P、Pn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的絕對壓力，Pa；T、Tn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的熱力學溫度，K。

2.2雷諾數(shù)、壓力損失和背壓的計算

在渦街流量計選擇流量計通徑時，主要是對流量下限值進行核算雷諾數(shù)，*小雷諾數(shù)不應低于下限雷諾數(shù)，即雷諾數(shù)Re≥2×104。在測量介質(zhì)為液態(tài)時，還應檢查*小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸汽壓，即是否產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。

(1)雷諾數(shù)Re是一個表針流體慣性力與粘性力之比的無量綱量：

式中，Q為體積流量，m3/h；D為流量計內(nèi)徑，mm；v為運動粘度，m2/s。

(2)壓力損失:選擇流量計時，通常可能會對流量計的通徑進行適當縮小，以取得較大的流速和合適的流量量程。但是如果縮徑過于嚴重，可能會導致較大的壓力損失，能耗會增加，因此在選擇流量計的通徑時，也需要適當考慮壓力損失，盡可能減小壓力損失。壓力損失△P計算：

式中，△P為壓力損失，kg/m2；ρ為流體密度，kg/m3；V為流速，m/s。

(3)背壓：測量液體的流量時，要確認工藝管道的壓力對于較小的公稱通徑而言有足夠大的背壓，避免氣穴產(chǎn)生。流量計下游的管道壓力應滿足：

式中，P為流量計下游3.5～7.5D的*小管道壓力，kg/cm2(A)；P0為液體的飽和蒸汽壓，kg/cm2。

(4)根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場安裝環(huán)境選擇耐壓、耐溫等級、防護等級、防爆等級、輸出信號等。3測量熱解氣的渦街流量計的選型設(shè)計熱解氣的組分如表1所述，其工藝參數(shù):操作密度0.63kg/m3，運動粘度2×10－5m2/s，操作溫度48.9℃，操作壓力7.5kPa，管道DN80，*小流量50Nm3/h，正常流量100Nm3/h，*大流量150Nm3/h，儀表測量范圍選擇0～180Nm3/h。因為本裝置為試驗裝置，在裝置運行的過程中，業(yè)主可能會根據(jù)需要適當調(diào)整參數(shù)，因此選擇量程比寬一些的流量計會有助于調(diào)整后的測量;另外熱解氣作為產(chǎn)品之一，其流量是驗證工藝與關(guān)鍵設(shè)備的工程可行性、優(yōu)化工藝參數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)之一，因此使用精度高一些的流量計也是有必要的;熱解氣的組分隨著參數(shù)的調(diào)整也可能會發(fā)生變化，因此基于伯努利方程原理的，如孔板、噴嘴、阿牛巴、德爾塔巴、平衡式等都不能很好的測量，因為這類流量計受流體物性(密度、粘度)和組分變化影響，且*終的熱解氣產(chǎn)品或多或少都有焦油的存在，時間長了可能堵塞流量計。楔式流量計帶自清潔的功能，如果采用法蘭取壓，變送器采用隔膜密封式變送器，其受焦油的影響較小，楔式流量計的計算結(jié)果分別見圖1和圖2。

當H/D比為0.2時，其壓力損失達到4kPa，已經(jīng)大于操作壓力的一半，此種方案不可取，當H/D比為0.3時，其壓力損失為1.09kPa，可以接受，但*小流量時的差壓只有0.11kPa，甚至正常流量時的差壓也只有0.45kPa，由于采用的是隔膜密封式變送器，此時的精度無法保證;另一類是基于線性連續(xù)方程原理的，如渦街流量計、質(zhì)量流量計等，考慮到本裝置為一個實驗裝置，質(zhì)量流量計價格昂貴，因此綜合考慮介質(zhì)和裝置的特殊性、壓損、精度和費用等因素，本工程中選用渦街流量計測量熱解氣的流量。

由式(1)可得*小流量對應的工作狀態(tài)下的體積流量：

由式(2)可得流量計口徑為DN80時的雷諾數(shù)：

因此需適當縮小流量計尺寸，縮小至DN50時的雷諾數(shù)：

流量計縮小至DN40時的雷諾數(shù)：

由上述計算結(jié)果可知，當流量計縮徑至DN40時，雷諾數(shù)即可滿足要求。

按式(3)可以核算下DN50和DN40口徑下的*大壓損：

DN50時：

DN40時：

利用橫河公司計算軟件計算出來的結(jié)果見圖3。

從圖3可見，出流量計口徑為DN80時，*小流量無法測量;流量計口徑縮徑至DN50時，*小流量可測(此時流體的雷諾數(shù)非常接近2×104)，但此時的測量精度稍微差些；流量計口徑縮徑至DN40時，*小流量可測，且精度也能得到保證。用上述公式計算的壓損與軟件計算出來的也基本一致，差別來自計算時流速及流量計口徑均采用的是估算值。如果流量計縮徑至DN25時，流量計的壓損已經(jīng)達到7.6kPa，壓損較大，無法滿足工藝要求。因此選擇DN40口徑的流量計能滿足要求。對于DN50口徑的方案，如果流量大于54Nm3/h時，流量計的精度為此款流量計的*佳精度，為1.0%，當流量為50Nm3/h時，此時流量可測，只是精度稍差些，約為1.81%，但流量計的壓損會小很多，從節(jié)能降耗方面考慮，選擇DN50口徑的流量計也是可以的。綜上，選擇DN40和DN50口徑的渦街流量計都能滿足要求。

操作溫度為48.9℃，沒有特殊性，選擇普通的渦街流量計即可；根據(jù)現(xiàn)場情況，流量計為露天安裝，防護等級選擇IP65即可；根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB50058－2014，本裝置中各介質(zhì)所在組別屬于危險物料，見表2。因此儀表的防爆標志選擇ExiaⅡCT4Gb即能滿足要求。根據(jù)項目統(tǒng)一要求輸出信號選擇為4～20mA+HAＲT。

至此，渦街流量計的選型已完成，但考慮到熱解氣中焦油的存在，選擇渦街流量計時，需要注意：

①不能選用因為技術(shù)需要而在渦街流量計中設(shè)計了小孔結(jié)構(gòu)的流量計，因為焦油有可能堵塞這些孔，從而失去其原有的作用；

②焦油有可能附著在旋渦發(fā)生體上，從而改變其結(jié)構(gòu)，影響測量精度，因此需要采用帶防粘附作用的發(fā)生體，另外考慮到熱解氣中焦油的含量較小，且由于旋渦的存在，其有剝離附著在發(fā)生體上的焦油的作用，因此認為其對測量精度的影響比較小。

4、結(jié)語

目前項目已經(jīng)開車成功，渦街流量計現(xiàn)場使用效果特別好，在整個實驗的過程中，都能很精確地測出熱解氣的流量，深受業(yè)主好評?，F(xiàn)場的使用結(jié)果表明，在發(fā)生體帶防粘附作用的情況下，低含量的焦油對流量計的測量精度影響不大。

目前化工廠常用的流量計節(jié)流裝置 (孔板等)，其受流體物性影響大，量程比一般只有3: 1，且容易出現(xiàn)堵塞，直管段要求甚至高達50倍管徑，另外導壓系統(tǒng)還容易出現(xiàn)泄漏。渦街流量計因其儀表系數(shù)與流體特性無關(guān) (氣液通用)、精度高、寬量程比和低壓損等優(yōu)點，是節(jié)流裝置的理想替代品，但只有正確設(shè)計、正確選型以及正確安裝的條件下才能發(fā)揮其應有的作用。